高海拔地区铁路站车垃圾气力输送系统风机的选型研究

张文兵，洪 蔚，董大为，水春雨，侯世全，于晓莹

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

高海拔地区铁路站车垃圾气力输送系统风机的选型研究

张文兵1，洪 蔚2，董大为2，水春雨2，侯世全2，于晓莹2

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

垃圾气力输送系统是近年发展起来的一种高效、卫生的垃圾输运方式，用于车站，尤其是新建高架车站，可解决人工输运候车室垃圾及旅客列车垃圾所产生的不利影响。垃圾气力输送系统主要通过风机产生高速气流来携带输送垃圾，因此，风机的选型对整个系统尤为重要。以兰新铁路吐鲁番北站垃圾气力输送系统风机参数为基础，利用流体力学原理及公式对西藏日喀则地区所适用的风机参数进行分析计算，为高海拔地区垃圾气力输送系统的风机选型提供参考。结果得出同一系统，将风机流量提高至原流量的1.24倍，可在西藏日喀则地区获得与零海拔地区相同的垃圾输送效果。

高海拔地区；铁路车站；垃圾气力输送；风机；选型

垃圾气力管道输送系统是指通过预先铺设好的管道系统，利用风机产生高速气流，由高速气流将生活垃圾携带至中央垃圾收集站，再经气固分离，垃圾由垃圾车运送至垃圾处置场，尾气经除尘除臭后达标排放，是近年来发展起来的一种高效、卫生的垃圾输运方法[1-3]。据调研，目前铁路客站普遍采用人工收集输运候车室垃圾及列车垃圾，不仅清运工作效率低，而且在运输过程中易造成垃圾遗撒，产生异味滋生病菌，引发二次污染[4-5]。此外，在新建的高架车站，垃圾车及平板车不能进入站台，垃圾几乎完全依靠人工收集、运输，加上高架站台没有垃圾运输通道，清洁工人只能从旅客电梯或者楼梯清运转送垃圾，增加了站内交通压力，给旅客通行带来阻碍[6-7]。而垃圾气力管道输送系统能有效解决人工收集输运所产生的一系列问题，为铁路站车垃圾输运带来创造性的革新。

垃圾气力输送系统主要是通过风机产生高速气流来携带垃圾，因此，风机的选型对整个系统尤为重要。随着地面海拔的升高，大气压强和空气密度均随之下降，空气稀薄[8]，因此，同一个系统，使用同样的风机，在海拔不同的地区，携带垃圾的效果是不同的。在兰新铁路吐鲁番北站使用的垃圾气力输送系统，选用的风机风量为22 000 m3/h，全压为8 kPa，共设置3台风机，两用一备，风机串联安装，则风量仍为22 000 m3/h，全压为16 kPa。本文拟以此风机参数为基础，对西藏日喀则地区的大气压强、空气密度及适用的风机进行选型计算，为高海拔地区的风机选型提供参考。

1 大气压强和空气密度与海拔的关系

1.1 大气压强与海拔的关系

大气压强随着海拔高度的升高而降低，海拔每上升100 m，气压降低1 000 Pa，即

(1)

式中P——大气压强，Pa；

h——海拔高度，m。

日喀则地区平均海拔为3 836 m，则该地的大气压强约为63×103Pa。

1.2 空气密度与海拔的关系

根据克拉珀龙方程

ρ=PM/RT

式中ρ——空气密度，kg/m3；

P——大气压强，Pa；

M——气体摩尔质量，M=29 g/mol；

R——气体常数，R=8.314 J/mol·K；

T——热力学温度，日喀则地区平均温度为6.3 ℃，则T=273.15+6.3=279.45 K。

786g/m3=0.786kg/m3

即日喀则地区空气密度为0.786kg/m3，仅为标准大气压下空气密度的0.61。

2 高海拔地区垃圾气力输送系统风机的选型

本小节讨论及计算基于以下假设：(1)垃圾为刚性球形物体，直径不变，垃圾在无限流场中运动；(2)忽略海拔、空气密度对风机转速的影响[9]；垃圾袋尺寸、垃圾密度相同。

2.1 风机风量的选择2.1.1 气流对垃圾的推动力与海拔的关系

垃圾气力输送系统运行过程中，先由人工将垃圾袋投入垃圾投放口，当垃圾到达一定量时，系统启动风机产生高速气流，风机启动一段时间后，管道内流速达到设定的输运速度，垃圾投放口底部排放阀打开，垃圾进入输送主管道，高速气流随即携带垃圾前往垃圾中央收集站。

垃圾输送管道中高速气流对垃圾的推动力可由绕流阻力描述，绕流阻力公式如下

(2)

式中FR——运动物体所受流体的阻力，N；

ds——球形物体的直径，m；

ρa——流体密度，kg/m3；

ν——受绕流物体扰动以前流体相对于绕流物体的流速，即风速，m/s；

CD——绕流阻力系数，为雷诺数Re=νd/υ的函数，无量纲，本系统中，风速为ν=31.14 m/s，垃圾袋直径d=0.4 m，流体运动粘滞系数υ=15.7×10-6m2/s，则Re=8×105。根据CD与Re的关系图[10]，当Re≥2.5×105时，CD接近常数0.2。

假设在日喀则地区使用的垃圾气力输送系统与兰新铁路吐鲁番北站为同一套系统，所有设备、技术参数均相同，则式(2)中as不变，考察风速ν和空气密度ρa对绕流阻力FR的影响。

1.提升中国执行AP-BEPS的能力。基于AP-BEPS的国内落地业务需求，优化中国税务机关国际税收征管组织体系，优化配置实施AP-BEPS的国际税收业务管理资源，持续提升执行AP-BEPS的组织管理能力。全面推进国际税收信息化管理，强化国际税收信息化质效管理，利用信息技术协助AP-BEPS的执行管理，持续提升实施AP-BEPS的信息化管理能力。

(1)风速ν对FR的影响

(3)

风机通量Q不变，则风速ν不变，因此，可不考虑风速对FR的影响。

(2)空气密度对FR的影响

2.1.2 高海拔地区增大推动力的措施

垃圾袋尺寸和垃圾密度不变，风速ν增大，雷诺数Re同时增大，CD不变。

2.2 风机风压的选择

垃圾气力管道输送系统中，纯空气流的总压损为沿程压力损失和局部压力损失之和。投入垃圾后，系统变成两相流，总压损为沿程压力损失、加速压力损失、弯管压力损失、提升物料压力损失和局部压力损失几部分组成[11]。在本系统中，加速压力损失、弯管压力损失、提升物料压力损失均较小，故主要考虑沿程压损和局部压损[12]。

沿程压损

(4)

局部压损

(5)

式中,m为固气质量比，无量纲；K=νs/ν，为终极固体颗粒流速与终极气体流速之比，无量纲；λ为纯空气流摩擦阻力系数，无量纲；ζ为局部阻力系数，无量纲；l为直管长度，m；d为直管管径，m；ρ为空气密度，kg/m3；ν为断面平均流速，m/s。

零海拔地区，系统总压损为

高海拔地区，系统总压损为

Δp′=Δp=16 000 Pa

由于风机厂家型录上标称的风机风压为零海拔时的风压，若要使得在日喀则地区使用的风机风压达到16 000 Pa，则根据风机定律换算成零海拔地区的风压为

3 结论

(1)对同一系统，根据绕流阻力公式，空气密度减小，绕流阻力变小，即气流对垃圾的推力减小。

(2)提高系统的空气通量可抵消空气密度对绕流阻力即空气对垃圾推力的影响，即将风机流量提高至原流量的1.24倍，可在日喀则地区获得与零海拔地区相同的垃圾输送效果。

(3)在日喀则地区适用的风机风量为28 160m3/h，全压为26 260Pa。

[1] 上海市市容环境卫生管理局科技委，等.垃圾气力管道输送系统综述[J].科技信息与动态，2006(8)：1-4.

[2] 王金豹，严勇，何光琦.厨余垃圾真空管道收集系统在奥运工程中的应用[J].建筑技术，2008，39(4)：311-312.

[3] 钟亚力，杨章印.真空管道垃圾收集系统介绍[J].环境卫生工程，2007，15(2)：21-22.

[4] 于晓莹，洪蔚，等.铁路站车垃圾特性及收集运送现状分析与展望[J].铁路节能环保与安全卫生，2013，3(4)：192-194.

[5] 徐馥.世博园区启用智能化垃圾气力输送系统的启示[J].现代商贸工业，2010(21)：123-124.

[6] 水春雨，黄明娟.铁路站车垃圾管道气力输送系统应用方案探讨[J].铁路节能环保与安全卫生，2013，3(3)：122-124.

[7] 牟忠霞.高速铁路客运车站气力垃圾收集输送系统应用研究[J].环境科学与管理，2011，36(7)：39-40，52.

[8] 黎爱清，刘世杰.青藏铁路关角特长隧道通风设计与施工[J].铁道标准设计，2013(6)：92-96.

[9] 苟红松，李永生，罗占夫.高海拔地区隧道施工通风风量计算及风机选型研究[J].隧道建设，2012，32(1)：53-56.

[10]刘建军，章宝华.流体力学[M].北京：北京大学出版社，2006:103.

[11]杨伦，谢一华.气力输送工程[M].北京：机械工程出版社，2006:160-164.

[12]晁庚奇.青藏高原高寒地区长大隧道通风技术[J].铁道标准设计，2007(1)：75-76.

Selection of Fan for Pneumatic Garbage Conveying System of Railway Stations in High Altitude Areas

ZHANG Wen-bing1， HONG Wei2， DONG Da-wei2， SHUI Chun-yu2， HOU Shi-quan2， YU Xiao-ying2

(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China;2.Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

Pneumatic garbage conveying system， an efficient and sanitary garbage conveying mode， has been developing rapidly in recent years. The application of this system in railway station， especially in elevated railway station， can solve adverse effects caused by manual clearing garbage off waiting rooms and trains. With the system， garbage is carried away by high-speed airflow generated by fan. Therefore， the selection of fan is very important for the system. Based on the parameters of the fan employed in the pneumatic garbage conveying system in Turpan， the parameters of the fan applicable to Shigatse area are analyzed and calculated so as to provide

for the selection of fan for pneumatic garbage conveying system in high altitude areas. The result shows that increasing the airflow of the fan to 1.24 times， the system used in Shigatse can obtain the same function as that used in low altitude area.

High altitude area; Railway station; Pneumatic garbage conveying; Fan; Selection

2014-06-04；

2014-06-10

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2013Z001-A)

张文兵(1971—)，男，高级工程师，1994年毕业于兰州交通大学给水排水专业，工学学士，E-mail：290200205@qq.com。

1004-2954(2015)03-0144-03

X705

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.034